Fysikere konstruerer et optisk spejl, der kun består af nogle få hundrede atomer

Fysikere ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) har konstrueret det letteste optiske spejl, man kan forestille sig. Det nye metamateriale er lavet af et enkelt struktureret lag, der kun består af et par hundrede identiske atomer. Atomerne er arrangeret i det todimensionelle array af et optisk gitter dannet af interfererende laserstråler. Forskningsresultaterne er de første eksperimentelle observationer af deres art i et først for nylig fremkommet nyt område af subbølgelængde kvanteoptik med ordnede atomer. Indtil nu, spejlet er det eneste af sin slags. Resultaterne er i dag offentliggjort i Natur .

Som regel, spejle bruger højpolerede metaloverflader eller specielt coatede optiske briller for at forbedre ydeevnen i mindre vægte. Men fysikere ved MPQ demonstrerede nu for allerførste gang, at selv et enkelt struktureret lag på et par hundrede atomer allerede kunne danne et optisk spejl, gør den til den letteste tænkelige. Det nye spejl er kun flere tiere nanometer tyndt, som er tusind gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår. Refleksionen, imidlertid, er så stærk, at den endda kunne opfattes med det rene menneskelige øje.

Mekanismen bag spejlet

Spejlet arbejder med identiske atomer arrangeret i et todimensionelt array. De er ordnet i et regulært mønster med en afstand lavere end atomets optiske overgangsbølgelængde, både typiske og nødvendige karakteristika ved metamaterialer. Metamaterialer er kunstigt designede strukturer med meget specifikke egenskaber, som sjældent findes naturligt. De opnår deres egenskaber ikke fra de materialer, de er lavet af, men fra de specifikke strukturer, de er designet med. Egenskaberne - det regelmæssige mønster og afstanden mellem subbølgelængden - og deres samspil er de to afgørende funktioner bag denne nye slags optiske spejl. Først og fremmest, det regelmæssige mønster og atomernes subbølgelængdeafstand undertrykker begge en diffus spredning af lys, bundter refleksionen til en en-retningsbestemt og stabil lysstråle. Sekund, på grund af den forholdsvis tætte og diskrete afstand mellem atomerne, en indkommende foton kan hoppe frem og tilbage mellem atomerne mere end én gang, før den reflekteres. Begge effekter, den undertrykte spredning af lys og hoppen af ​​fotonerne, føre til en "forstærket samarbejdsreaktion på det eksterne felt, "hvilket betyder i dette tilfælde:en meget stærk refleksion.

Fremskridt på vej mod mere effektive kvanteenheder

Med en diameter på omkring syv mikron, selve spejlet er så lille, at det er langt uden for visuel genkendelse. Apparatet, i hvilket enheden er oprettet, imidlertid, er enorm. Fuldt i stil med andre kvanteoptiske eksperimenter, den tæller over tusind enkelt optiske komponenter og vejer omkring to tons. Derfor, det nye materiale ville næppe påvirke de varespejle, folk bruger til daglig. Den videnskabelige indflydelse på den anden side kan være vidtrækkende.

"Resultaterne er meget spændende for os. Som i typiske fortyndede bulk-ensembler, foton-medierede korrelationer mellem atomer, som spiller en afgørende rolle i vores system, er typisk negligeret i traditionelle kvanteoptikteorier. På den anden side, ordnede arrays af atomer lavet ved at indlæse ultrakolde atomer i optiske gitter blev hovedsageligt udnyttet til at studere kvantesimuleringer af modeller af kondenseret stof. Men det viser sig nu at være en kraftfuld platform til også at studere de nye kvanteoptiske fænomener, " forklarer Jun Rui, Postdoc-forsker og førsteforfatter til papiret.

Yderligere forskning langs denne historie kan uddybe den grundlæggende forståelse af kvanteteorierne om lys-stof-interaktion, mange-legeme fysik med optiske fotoner, og muliggøre konstruktion af mere effektive kvanteenheder.

"Der er åbnet mange nye spændende muligheder, såsom en spændende tilgang til at studere kvanteoptomekanik, som er et voksende felt for at studere lysets kvantenatur med mekaniske enheder. Eller, vores arbejde kunne også hjælpe med at skabe bedre kvantehukommelser eller endda til at bygge et kvanteskiftbart optisk spejl, " tilføjer David Wei, Doktorgradsforsker og anden forfatter. "Begge er interessante fremskridt for kvanteinformationsbehandling."